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Materiais Estrutura Atómica e Ligação Química
M. Clara Gonçalves [email protected] http://web.ist.utl.pt/ist12456
Tel. 3934 Sala 4-1.4A (4º Piso Torre Química)
Lisboa, 2019
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Os Engenheiros fazem coisas – e estas coisas são feitas de Materiais!
Sem Materiais não há engenharia!
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Materiais têm de suportar cargas mecânicas, isolar ou
conduzir calor ou electricidade, transmitir ou reflectir a luz,
sobreviver muitas vezes em ambientes hostis, e fazer tudo
isto sem ter impacto no ambiente e sem serem muito
caros...
Para fazer algo a partir de um material precisamos de um
processo, que tem de ser compatível com o material que
planeamos usar
Estrutura Atómica e Ligação Química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Que material deveremos seleccionar para uma determinada aplicação?
Quais os parâmetros de projecto a especificar?
(i) propriedades do material (ii) desempenho em serviço
(iii) facilidade de limpeza e de manutenção (iv)design
(v) processo de fabrico (vi) reciclabilidade/impacto ambiental
(vii) durabilidade (viii) custo
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Estrutura Atómica e Ligação Química
O Engenheiro moderno tem mais de 160 000 materiais disponíveis para a selecção!
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Estrutura Atómica e Ligação Química
29000 b.C. - 25000 b.C. Věstonice, República Checa
209-210 b.C. Túmulo Qin Shi Huangin, China
III-IV Vidros mediterrâneo oriental
3 000 b.C. Tablet terracota, Mesopotania
575 b.C. Ishtar 575 b.C.
II-I b.C.
40 000 b.C. (?) Ponta de lança obsidiana
1900-1600 b.C. Capacete em ouro, País de Gales.
500-400 b.C. Vaso bronze, Dinastia Chou, China
1600 b.C. Micenas, Máscara fúnebre em ouro, Atenas
1323 b.C. Máscara múmia de Tutankhamun
25-220 Papel, seda , porcelana
China, dinastia Han
100 b.C. Moedas, Yokshire
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Objectivo UC Materiais
Estrutura
Propriedades
Processamento
Selecção de materiais para projecto de Produto
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Classes de materiais, principais propriedades
Relação entre estrutura e propriedades
Ordem de grandeza das propriedades dos materiais
Processamento/síntese, e sua relação com estrutura e propriedades
Seleccionar um dado material para um dado projecto de engenharia ou desenvolvimento de produto
Objectivo UC Materiais
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Estrutura Atómica e Ligação Química
ESTRUTURA / LIGAÇÃO QUÍMICA
PROCESSAMENTO PROPRIEDADES
DESEMPENHO
Objectivo UC Materiais
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Cap. 2 Estrutura Atómica e Ligação
Química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Questões a abordar
O que promove uma ligação química?
Quais os tipos de ligação química presentes numa classe de materiais?
Quais as propriedades que se podem inferir a partir da ligação química?
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Estrutura atómica
1s
2s 2p
K n = 1
L n = 2
3s 3p M n = 3
3d
4s
4p 4d
Energia
N n = 4
• níveis de energia discretos • ocupação dos niveis de energia de menor valor
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Estrutura Atómica e Ligação Química
• Na maioria dos elementos: configuração electrónica não é estável
Configuração electrónica
(estável)
...
...
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
...
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6
Atómico#
18 ...
36
Elemento 1s 1 1 Hidrogénio 1s 2 2 Helio 1s 2 2s 1 3 Lítio 1s 2 2s 2 4 Berílio 1s 2 2s 2 2p 1 5 Boro 1s 2 2s 2 2p 2 6 Carbono
...
1s 2 2s 2 2p 6 10 Neon 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 11 Sodio 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 12 Magnésio 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 13 Aluminio
...
Argon ...
Kripton
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Estrutura Atómica e Ligação Química
ex: Fe – atomico # =
Electrões valência
1s
2s 2p
K n = 1
L n = 2
3s 3p M n = 3
3d
4s
4p 4d
Energia
N n = 4
26 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2
Adapted from Fig. 2.4, Callister 7e.
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Estrutura Atómica e Ligação Química
METAIS
POLÍMEROS
VIDROS
MATERIAIS COMPÓSITOS
CERÂMICOS &
SEMICONDUTORES
FIBRAS NATURAIS
NANOMATERIAIS
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Estrutura Atómica e Ligação Química
MATERIAIS PARA ELECTRÓNICA
MATERIAIS PARA AERONÁUTICA
MATERIAIS PARA INDÚSTRIA AUTOMÓVEL
MATERIAIS FOTÓNICOS
BIOMATERIAIS
MATERIAIS DE SEGURANÇA
MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO CIVIL
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Classe de materiais e ligação química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Adapted from
Fig. 2.6,
Callister 7e.
Elementos electropositivos: cedem facilmente electrões, formando catiões
Elementos electronegativos: captam facilmente electrões, formando aniões
da
1e
dá
até
2e
dá
até
3e
Gas
iner
te
acei
ta 1
e ac
eit
a 2
e
O
Se
Te
Po At
I
Br
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
F
Cl S
Li Be
H
Na Mg
Ba Cs
Ra Fr
Ca K Sc
Sr Rb Y
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Energia de ligação química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
• ocorre entre aniões e catiões
• exige transferência de electrões
• exige grande diferença de electronegatividades
• Exemplo: NaCl
Na (metálico) instável
Cl (não-metálico)
instável electrão
+ -
Atracção Coulombica
Na (catião) estável
Cl (anião)
estável
Ligação iónica
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Estrutura Atómica e Ligação Química
• ocorre entre aniões e catiões
• exige transferência de electrões
• exige grande diferença de electronegatividades
• Exemplo: NaCl
Ligação iónica
A ligação resulta da atracção electrostática entre iões de sinal oposto O empilhamento regular dos iões Na+ e Cl- é indicativo da não direccionalidade da ligação iónica.
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Estrutura Atómica e Ligação Química
– Balanço entre termos atractivo e repulsivo
Energia atractiva EA
Balanço energético EN
Energia repulsiva ER
Separação interatómica r
r A
n r B
EN = EA + ER = - -
Ligação iónica – mínimo de energia
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Cedem e- Captam e-
Ligação iónica
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Estrutura Atómica e Ligação Química
C: possui 4 e- valência necessita mais 4
H: 1 e- valência,
necessita mais 1
Electronegatividades comparáveis.
Adapted from Fig. 2.10, Callister 7e.
• Electronegatividade similar partilha de electrões
• Ligações determinadas pela valência – orbitais s & p determinam a ligação
• Examplo: CH4 Partilha de e- do átomo de C
Partilha de e- do átomo de H
H
H
H
H
C
CH 4
Ligação covalente
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Estrutura Atómica e Ligação Química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Diamante
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Estrutura Atómica e Ligação Química
• Ligação mista iónica-covalente
• % caracter iónico=
onde XA & XB são electronegatividades de Pauling
ionic 70.2% (100%) x e1 characterionic % 4
)3.15.3(
2
-
--
Ex: MgO XMg = 1.3 XO = 3.5
Ligação mista covalente-iónica
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Estrutura Atómica e Ligação Química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Debye, Keeson, London
Pontes de H
Ligação secundária
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Resulta da interacção entre momentos dipolares
• dipolo permanente -dipolo induzido
• Flutuação de dipolos
-caso geral:
-ex: HCl líquido HCl
-ex: polímero
Adapted from Fig. 2.14,
Callister 7e.
Nuvem electrónica assimétrica
+ - + - Ligação
secundária
H H H H
H 2 H 2
ex: H2 liquido
Cl
Ligação secundária
+ - + -
Ligação secundária
Ligação secundária
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Estrutura Atómica e Ligação Química
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Classe de materiais e ligação química
Tipo Material Ligação Exemplo Metal Metálica Fe, ligas de Fe Cerâmicos e Vidros Iónica/covalente SiO2, cristalina ou vítrea Polímeros Covalente e secundária Polietileno Semicondutores Covalente, covalente/iónica Si, CdS
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Ligação química e propriedades
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Estrutura Atómica e Ligação Química
• Os electrões de valência determinam as seguintes propriedades:
1) químicas
2) eléctricas
3) térmicas
4) ópticas
Estrutura atómica
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Ligação química e TM
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Ligação química e TM
Tipo Material Ligação Ponto Fusão (ºC) NaCl Iónica 801 diamante covalente ~3550 Polietileno Covalente e secundária ~120 Cu Metálica 1083.4 Ar Secundária (dip induzido) -189 H2O secundária (dip permanente) 0
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Ligação química e G
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40
Data from Table B1, Callister 7e.
r (g
/cm
)
3
Graphite/ Ceramics/ Semicond
Metals/ Alloys
Composites/ fibers
Polymers
1
2
2 0
30 B ased on data in Table B1, Callister
*GFRE, CFRE, & AFRE are Glass, Carbon, & Aramid Fiber-Reinforced Epoxy composites (values based on 60% volume fraction of aligned fibers
in an epoxy matrix). 10
3
4
5
0.3
0.4
0.5
Magnesium
Aluminum
Steels
Titanium
Cu,Ni
Tin, Zinc
Silver, Mo
Tantalum Gold, W Platinum
G raphite
Silicon
Glass - soda Concrete
Si nitride Diamond Al oxide
Zirconia
H DPE, PS PP, LDPE
PC
PTFE
PET PVC Silicone
Wood
AFRE *
CFRE *
GFRE*
Glass fibers
Carbon fibers
A ramid fibers
Estrutura Atómica e Ligação Química
Ligação química e Densidade
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Estrutura Atómica e Ligação Química
Sumário Tipo
Iónica
Covalente
Metallic
Secondária
Energia Ligação
Elevada!
Elevada-Diamante
Elevada-Tungsténio
Reduzida
Não direccional
(cerâmicos e vidros)
Direccional
(semiconductors, cerâmicos,
vidros e polímeros)
Não direccional (metais)
Direccional inter-molecular
(polímeros)